——專(zhuān)訪清華大學(xué)教授、青海大學(xué)副校長(zhǎng)梅生偉"/>
本刊記者 ■ 李 鵬 陳一言
21世紀(jì)以來(lái),受到能源枯竭和環(huán)境惡化的雙重壓力,全球能源發(fā)展格局正在發(fā)生重大而深刻的變化,可再生能源逐漸取代傳統(tǒng)化石能源成為主力電源的趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)。
經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,我國(guó)的可再生能源發(fā)電已取得舉世矚目的成就。據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院發(fā)布的《中國(guó)可再生能源發(fā)展報(bào)告2019》顯示,2019年,我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到7.94億kW(其中,風(fēng)電、光伏發(fā)電首次同時(shí)突破2億kW),占總裝機(jī)容量的39.5%;可再生能源年發(fā)電量超過(guò)2萬(wàn)億kWh,繼續(xù)多年高居世界第一。然而,大規(guī)模間歇性可再生能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來(lái)了運(yùn)行控制難度增大、連鎖反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)加劇等嚴(yán)峻挑戰(zhàn),推動(dòng)我國(guó)可再生能源由高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展已刻不容緩。
圖1 梅生偉(左二)為時(shí)任青海省委書(shū)記王國(guó)生(左三)等人員介紹青海大學(xué)太陽(yáng)能綜合利用示范基地
清華大學(xué)教授、青海大學(xué)副校長(zhǎng)梅生偉長(zhǎng)期奮戰(zhàn)在教育、科研第一線(xiàn)。自上世紀(jì)90年代從清華大學(xué)電機(jī)系畢業(yè)留校工作以來(lái)的近20年間,梅生偉主要從事大型同步發(fā)電機(jī)抗擾控制及遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)的研究工作。他提出了電力系統(tǒng)非線(xiàn)性魯棒控制設(shè)計(jì)原理,攻克了困擾電力控制界數(shù)十年的Hamilton-Jacobi-Issacs偏微不等式解析求解的科學(xué)難題,這一工作被美國(guó)工程院Vittal院士譽(yù)為“培育了一門(mén)極具吸引力的嶄新學(xué)科”;主持研發(fā)了世界首臺(tái)大型同步發(fā)電機(jī)組非線(xiàn)性魯棒勵(lì)磁/調(diào)速工業(yè)控制裝置及非線(xiàn)性魯棒有源濾波器,并廣泛應(yīng)用于我國(guó)數(shù)百座電廠、油田;特別值得一提的是,他的相關(guān)研究使大容量遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的極限輸送功率提高了15%,這一成果獲得了2008年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。
2013年,梅生偉追隨王光謙院士到青海大學(xué)參加對(duì)口支援工作后,為了促進(jìn)青海可再生能源的發(fā)展并服務(wù)于國(guó)家能源轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略,他開(kāi)始轉(zhuǎn)戰(zhàn)可再生能源及儲(chǔ)能等相關(guān)領(lǐng)域,通過(guò)對(duì)工程博弈論、非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能、交直流輸電系統(tǒng)連鎖故障等基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵共性技術(shù)的攻關(guān),引領(lǐng)可再生能源由高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展。憑借在可再生能源領(lǐng)域的重大貢獻(xiàn),梅生偉先后獲得1項(xiàng)國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和4項(xiàng)省部級(jí)一等獎(jiǎng)(均為第一完成人)。
在昆明參加2020年中國(guó)可再生能源學(xué)術(shù)大會(huì)期間,筆者有幸采訪了梅生偉。盡管他公務(wù)繁忙,仍于9月20日23:20結(jié)束了與云南省能源投資集團(tuán)的洽談后,接受了筆者一個(gè)多小時(shí)的專(zhuān)訪。梅生偉淵博的學(xué)識(shí)、平易近人的作風(fēng)和娓娓道來(lái)的語(yǔ)言風(fēng)格,令人印象深刻。
我國(guó)的可再生能源發(fā)展長(zhǎng)期面臨 “規(guī)劃難”、“調(diào)度難”和“穩(wěn)控難”3大技術(shù)瓶頸。以光伏發(fā)電規(guī)劃為例,光伏電站的建設(shè)周期短(往往只需要數(shù)月)、投資額度小、見(jiàn)效快,而高壓輸電線(xiàn)路建設(shè)周期長(zhǎng)(通常為幾年到十幾年不等)、投資額大,這種電站與電網(wǎng)的建設(shè)周期不匹配的問(wèn)題可能導(dǎo)致光伏電站建成后長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法并網(wǎng),由此產(chǎn)生大量棄光。此外,政府、電廠和電網(wǎng)對(duì)光伏電站建設(shè)的利益訴求不同。政府比較關(guān)注環(huán)保問(wèn)題及可靠、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng),電廠主要考慮建設(shè)投資回報(bào),而電網(wǎng)則更為關(guān)注光伏電站并網(wǎng)引發(fā)的一系列安全穩(wěn)定問(wèn)題,這種利益“拉鋸”進(jìn)一步增加了光伏電站規(guī)劃的難度。高比例可再生能源電力系統(tǒng)的調(diào)度、穩(wěn)控也存在類(lèi)似的沖突問(wèn)題,比如安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等目標(biāo)之間的沖突,以及源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等主體利益之間的沖突。這些問(wèn)題與可再生能源的強(qiáng)隨機(jī)性及不可控性問(wèn)題交織,使可再生能源的協(xié)調(diào)發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。
針對(duì)可再生能源協(xié)調(diào)發(fā)展的重大科學(xué)問(wèn)題,梅生偉依托教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目開(kāi)展研究,系統(tǒng)創(chuàng)立了新能源電力系統(tǒng)工程博弈論,提出了非合作/合作/演化3大工程博弈建模原理與均衡分析方法,構(gòu)建了高比例可再生能源省域電力系統(tǒng)高效綠色供電整體解決方案。主要包括:
1)創(chuàng)新性地將可再生能源規(guī)劃、調(diào)度與控制問(wèn)題構(gòu)建為協(xié)商博弈、主從博弈和演化博弈模型,通過(guò)各方的博弈均衡,系統(tǒng)解決了可再生能源發(fā)展過(guò)程中場(chǎng)站、負(fù)荷、電網(wǎng)、政府等不同主體之間的利益沖突問(wèn)題;
2)從2人零和多階段動(dòng)態(tài)博弈的視角考慮可再生能源的強(qiáng)隨機(jī)性對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)度與控制問(wèn)題的影響,通過(guò)電力調(diào)控中心與大自然的多時(shí)間尺度虛擬博弈,在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,實(shí)現(xiàn)可再生能源的最大化消納;
3)研發(fā)了基于工程博弈論的可再生能源發(fā)電規(guī)劃、調(diào)度與控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了工程博弈論從理論研究到實(shí)際工程應(yīng)用的重大跨越。
上述研究成果已成功應(yīng)用于青海電力調(diào)控中心及風(fēng)光場(chǎng)站,成為省域清潔能源系統(tǒng)典范,并為建設(shè)青海“清潔能源示范省”乃至推動(dòng)全國(guó)可再生能源的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn);在青海新能源裝機(jī)容量占比高達(dá)54%的情況下(全國(guó)居首),實(shí)現(xiàn)了青海風(fēng)光可再生能源消納率超過(guò)96%、光伏發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高出全國(guó)平均水平31%。成果應(yīng)用產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)4.21億元,減少CO2排放178萬(wàn)t,并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,產(chǎn)生間接效益10.8億元。研究成果還全面支撐了青海電網(wǎng)不間斷輸出全清潔能源電力168 h(綠電7日)、216 h(綠電9日)、360 h(綠電15日)的實(shí)踐,3次刷新了省域電網(wǎng)全清潔能源供電的世界紀(jì)錄,在國(guó)內(nèi)外社會(huì)各界引起了強(qiáng)烈反響,李克強(qiáng)總理批示指出“這項(xiàng)工作具有開(kāi)創(chuàng)性”。憑借在省域可再生能源電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制方面的重大研究成果,梅生偉獲得了2018年青海省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、2019年中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)人物獎(jiǎng)和2020年中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
儲(chǔ)能是高比例可再生能源電力系統(tǒng)的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù),可彌補(bǔ)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電隨機(jī)性強(qiáng)與可調(diào)度性低的先天缺陷,顯著提高可再生能源的消納水平,推動(dòng)實(shí)現(xiàn)主力能源由化石能源向可再生能源的更替。
儲(chǔ)能的方式較多,常見(jiàn)的包括抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能等。這些儲(chǔ)能方式各有特點(diǎn),需要根據(jù)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性,因地制宜加以利用。
從電力系統(tǒng)的應(yīng)用情況看,抽水蓄能是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的大規(guī)模儲(chǔ)能方式,在削峰填谷、緊急事故備用、調(diào)頻、調(diào)相等方面發(fā)揮了重要作用。但是抽水蓄能易受水源、地形地質(zhì)等條件制約,難以在西北地區(qū)得到應(yīng)用。電化學(xué)儲(chǔ)能是除抽水蓄能外裝機(jī)容量最大、發(fā)展速度最快的儲(chǔ)能形式,此類(lèi)儲(chǔ)能占地少、選址布局靈活、調(diào)節(jié)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高,但也存在循環(huán)壽命短、后期回收難、運(yùn)行過(guò)程不安全等隱患。雖然江蘇、河南等地的鋰電池儲(chǔ)能裝機(jī)容量都已達(dá)到萬(wàn)kW甚至10萬(wàn)kW的規(guī)模,但其安全問(wèn)題不容忽視。對(duì)于青海這種氣候環(huán)境較為嚴(yán)酷的省份,晝夜溫差大、冬季極寒、風(fēng)沙大,電化學(xué)儲(chǔ)能在運(yùn)行過(guò)程中將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
壓縮空氣儲(chǔ)能是一種重要的物理儲(chǔ)能形式。傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能一般利用天然氣等燃料進(jìn)行補(bǔ)燃,但這一方面增加了天然氣的使用量,另一方面也存在一定程度的環(huán)境污染。為了解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能的補(bǔ)燃問(wèn)題并提升能量轉(zhuǎn)換效率,梅生偉團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了基于壓縮熱回收的非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能技術(shù),分析并揭示了壓力勢(shì)能和壓縮熱能的“解耦存儲(chǔ)”及“耦合釋能”機(jī)理,攻克了壓縮、蓄熱/換熱、儲(chǔ)氣、膨脹發(fā)電等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸?;谏鲜鲅芯砍晒飞鷤ブ鞒纸ǔ闪税不帐徍?00 kW非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能工業(yè)試驗(yàn)電站(世界上首座實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行的非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能電站)和青海西寧100 kW復(fù)合式壓縮空氣儲(chǔ)能工業(yè)試驗(yàn)電站(世界上首座實(shí)現(xiàn)發(fā)電的太陽(yáng)能熱復(fù)合式壓縮空氣儲(chǔ)能電站),循環(huán)效率國(guó)際領(lǐng)先。此外,梅生偉還擔(dān)任國(guó)家能源局壓縮空氣儲(chǔ)能?chē)?guó)家示范項(xiàng)目“江蘇金壇60 MW/300 MWh鹽穴壓縮空氣儲(chǔ)能電站”的首席科學(xué)家,利用中鹽金壇公司地下鹽穴(埋深800 m,容積22萬(wàn)m3)作為高壓儲(chǔ)氣室,實(shí)現(xiàn)電能的大規(guī)模存儲(chǔ)和高效轉(zhuǎn)換,此項(xiàng)目預(yù)計(jì)將于2020年底建成,30年壽命期內(nèi)的度電成本僅為0.22元/kWh,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性突出。憑借在非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性成果,梅生偉榮獲了2019年安徽省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
可再生能源制氫的儲(chǔ)能形式目前也廣受關(guān)注。利用富余光伏發(fā)電制氫,一方面可使單純的光伏電站轉(zhuǎn)變?yōu)楣夥?儲(chǔ)能電站,緩解光伏發(fā)電功率不穩(wěn)定對(duì)電網(wǎng)的沖擊;另一方面可以利用氫燃料電池在發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行供熱,形成熱電一體化電站,這在工業(yè)用熱或居民供暖需求較大的地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。為了突破可再生能源制氫的關(guān)鍵技術(shù),梅生偉團(tuán)隊(duì)承接了青海省科技廳光伏制氫成果轉(zhuǎn)化重點(diǎn)項(xiàng)目,在青海大學(xué)校園建成了光伏制氫示范系統(tǒng),可利用4.3 kWh的光伏電力制成1 m3的氫氣,制氫效率處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。此外,梅生偉團(tuán)隊(duì)還與魯能新能源(集團(tuán))有限公司青海分公司等可再生能源發(fā)電企業(yè)緊密合作,計(jì)劃在格爾木建設(shè)大容量氫儲(chǔ)能系統(tǒng),利用富余的可再生能源發(fā)電制備氫氣,再通過(guò)西氣東送天然氣管道摻氫等方式加以規(guī)?;?。
隨著西電東送工程的穩(wěn)步推進(jìn),我國(guó)已建成世界上電壓等級(jí)和直流輸電比例最高、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的交直流輸電系統(tǒng),承擔(dān)著大規(guī)模可再生能源遠(yuǎn)距離跨區(qū)傳輸和消納的重要使命。由于可再生能源的隨機(jī)性強(qiáng),電力故障行為及其發(fā)展過(guò)程復(fù)雜多變,再考慮到自然災(zāi)害頻發(fā)等因素,大電網(wǎng)連鎖故障風(fēng)險(xiǎn)加劇,傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)防御體系面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。
為解決大規(guī)??稍偕茉床⒕W(wǎng)可能引發(fā)大面積連鎖故障的難題,支撐國(guó)家西電東送戰(zhàn)略,梅生偉開(kāi)創(chuàng)性地將復(fù)雜系統(tǒng)自組織臨界理論應(yīng)用于大規(guī)??稍偕茉唇恢绷鬏旊娤到y(tǒng),在連鎖故障的誘發(fā)與傳播機(jī)理、建模與仿真方法、主動(dòng)預(yù)防與連鎖故障在線(xiàn)阻斷等方面取得了重大突破。梅生偉根據(jù)能源轉(zhuǎn)型背景下電力系統(tǒng)的基本特性、仿真分析方法及調(diào)控模式的根本性變化,將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的3道防線(xiàn)發(fā)展為面向大規(guī)??稍偕茉床⒕W(wǎng)的“緊急控制-主動(dòng)解列-自適應(yīng)減載”3道防線(xiàn),實(shí)現(xiàn)了故障狀態(tài)下可再生能源交直流輸電系統(tǒng)“全局協(xié)防-化整為零-分體存活”意義下的主動(dòng)阻斷。在這些理論研究成果的基礎(chǔ)上,梅生偉率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研發(fā)了可再生能源交直流輸電系統(tǒng)連鎖故障預(yù)演、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全預(yù)警與在線(xiàn)主動(dòng)阻斷一體化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了上萬(wàn)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的連鎖故障可信風(fēng)險(xiǎn)源與路徑集的高效模擬,準(zhǔn)確率和計(jì)算速度全面超越美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的OPA平臺(tái),連鎖故障阻斷率達(dá)到了98.3%。此成果應(yīng)用于我國(guó)西電東送6大主要輸電通道,在保障西電東送安全、減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象等方面發(fā)揮了重要作用,產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益約10億元。相關(guān)成果獲得了2015年教育部高等學(xué)校自然科學(xué)一等獎(jiǎng)和2018年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
我國(guó)西部地區(qū)具有得天獨(dú)厚的可再生能源資源條件,西部地區(qū)可再生能源的開(kāi)發(fā)利用,既是振興西部經(jīng)濟(jì)、實(shí)現(xiàn)西部大開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵措施,也是推進(jìn)能源革命、實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要舉措。然而,西部地區(qū)教育資源匱乏,人才儲(chǔ)備不足,這從根本上限制了西部地區(qū)可再生能源事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
為了破解西部地區(qū)可再能源人才匱乏的困局,2013年,梅生偉受清華大學(xué)選派,加入到“清華大學(xué)對(duì)口支援青海大學(xué)”的行列中。相較于一般援青干部的3年期限,他已“超長(zhǎng)期服役”,在青海這片祖國(guó)西部的熱土默默耕耘了8年。由于同時(shí)肩負(fù)清華大學(xué)的科研教學(xué)工作,梅生偉每年都要在北京與青海之間進(jìn)行40余次單程逾1600 km的往返飛行,但艱苦的自然條件和年復(fù)一年的奔波之苦擋不住他服務(wù)西部地區(qū)的熱情。梅生偉用實(shí)際行動(dòng),堅(jiān)守著踏上青海土地之初許下的“不把青海大學(xué)的可再生能源學(xué)科建設(shè)好就不回清華”的承諾。
目前,梅生偉擔(dān)任青海省清潔能源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、青海大學(xué)新能源學(xué)院院長(zhǎng)、青海大學(xué)副校長(zhǎng)等多個(gè)職務(wù)。在這期間,梅生偉從零開(kāi)始,在青海大學(xué)可再生能源基地建設(shè)、學(xué)科建設(shè)、人才培養(yǎng)、國(guó)際項(xiàng)目合作等方面取得了重大突破。主要包括:1)吸收了國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的太陽(yáng)能前沿技術(shù),在青海大學(xué)建成了國(guó)內(nèi)高校中面積最大、設(shè)備最完善、功能最完備、技術(shù)最先進(jìn)的太陽(yáng)能綜合利用示范工程基地,在教學(xué)、科研和科普中發(fā)揮了重要作用,并承擔(dān)了青海大學(xué)的部分供電任務(wù)。自2016年以來(lái),先后有3位黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人、59位省部級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、61位院士和400余名專(zhuān)家學(xué)者到基地參觀指導(dǎo);此外,該基地作為青海省首批科研、科普基地,接待了約6000名大、中學(xué)生,科技愛(ài)好者和社會(huì)人員。2)創(chuàng)建了青海大學(xué)新能源學(xué)院,目前招生超過(guò)300人,實(shí)現(xiàn)了青??稍偕茉慈瞬诺摹白晕以煅?。3)組建了一支覆蓋電氣、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、熱工等6個(gè)一級(jí)學(xué)科的交叉型可再生能源創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),并為青海大學(xué)培養(yǎng)了教育部青年長(zhǎng)江學(xué)者1名、“青海千人計(jì)劃”入選者5名。4)主持完成了“退役飛機(jī)碳纖維材料回收”太陽(yáng)能光熱項(xiàng)目,為青海大學(xué)帶來(lái)了第1個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目,并與波音公司反復(fù)協(xié)商,計(jì)劃將退役飛機(jī)的回收基地建在青海。
在梅生偉身上不僅體現(xiàn)了一個(gè)共產(chǎn)黨員無(wú)怨無(wú)悔、長(zhǎng)期支援西部建設(shè)的奉獻(xiàn)精神,還彰顯了一個(gè)科學(xué)家孜孜以求、攀登科研高峰的創(chuàng)新精神,以及一個(gè)教育家為國(guó)家,尤其是西部地區(qū)培養(yǎng)行業(yè)緊缺人才的家國(guó)情懷?!度嗣袢?qǐng)?bào)》先后6次在“十九大特刊”和“愛(ài)國(guó)情 奮斗者”等欄目對(duì)梅生偉的先進(jìn)事跡進(jìn)行了專(zhuān)題報(bào)道;清華大學(xué)也以《在西部,堅(jiān)守清華人的使命與責(zé)任》等為主題多次宣傳了他的愛(ài)國(guó)奮斗情懷(為此他2次榮獲清華大學(xué)優(yōu)秀共產(chǎn)黨員稱(chēng)號(hào)),受到了社會(huì)各界人士的廣泛關(guān)注。2019年,梅生偉被評(píng)為青海省最美科技工作者,同時(shí)入選中宣部最美科技工作者100名宣傳人物,成為“到祖國(guó)最需要的地方建功立業(yè)”的杰出代表。
能源革命與能源轉(zhuǎn)型之路任重道遠(yuǎn)。在祖國(guó)的大西部,在我國(guó)實(shí)施可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),梅生偉將無(wú)問(wèn)西東,一往無(wú)前,發(fā)出更加絢爛多彩的光和熱。